闪耀光栅数字微镜的结构设计与驱动
几何结构设计
就理想情况而言，控制驱动电压的大小即可得到微镜的不同转角，进而得到不同的像素单元色彩，这也可称为单像素全彩色模拟方式。采用单像素全彩色模拟方式工作还是以数字方式工作，取决于技术实现的可能性和制造的难易程度。从电压控制技术来说，以数字方式实现电压的精确细分是较为容易实现的，然而，对于被控对象的光栅微镜，由于部件尺寸极小，制造过程完全是基于蚀刻和淀积工艺来形成部件的几何结构。在加工过程中，工作温度、气体搀杂浓度、环境压力以及每个工艺过程加工时间的微小差别，都会造成各个零部件结构的差异，这些差异的存在将会使精确控制变得极其困难。相反，采用纯数字方式，以子像素的方式来实现彩色显示则会容易得多。使用数字方式工作时，只需让微镜转动到产生R、G、B以及黑色的四个固定位置即可。这样，偏转角度的控制就由电压细分的模拟方式变成了由几何结构来控制的数字方式。此时，驱动电压只需是一个能使微镜偏转到最大偏转角的固定值即可。
采用数字方式工作时，一个像素单元由三个子像素组成，通过设计微镜结构尺寸的细小差异，使每个子像素偏转到产生R、G、B以及黑色的四个固定位置时被限位，以达到偏转角精确定位的目的。通过控制每个子像素微镜偏转到指定位置后的停留时间，可产生不同基色的不同的亮度，不同亮度基色的不同组合，即可构成像素单元的真彩色。
根据上述考虑，闪耀光栅微镜的每一个像素单元由三个子像素构成。每个子像素长20微米，宽6微米，子像素间距0.8微米，每个像素单元的边长为20微米。像素单元间距为0.5微米时，1024×768个像素单元的对角线尺寸为1.033英寸。产生对角线为1英寸矩形面积的平行强光是容易实现的。
通常的扭转轴微镜可以有三个固定的位置，比如TI公司的DMD微镜可以处于0°、+12°、-12°三个位置。而闪耀光栅微镜至少要偏转到四个固定的位置才能满足比传统显示模式具有更高分辨率、更高亮度的成像要求。如何产生第四个位置并准确限位，是一个充分发挥想象力的问题。通常的做法可以采用曲柄滑块、柔性关节、连杆机构等方式实现，然而，在有限面积的限制下，这些方案都不适用，较好的办法是向空间发展，用多层致动结构来产生多个偏转限定位置。如图1所示。
图1所示的微镜结构包含了两个处于不同层面的致动板，第一层致动板与支撑柱相邻的两个驱动电极构成红光驱动电极和兰光驱动电极，第二层致动板与第一层致动板刚性联接，闪耀光栅板刚性联接在第二层致动板上。第一层致动板偏转带动第二层致动板偏转。第一层致动板偏转到位时，致动板边缘的着陆簧片触及着陆盘，限定偏转角。同时，第二层致动板与黑光电极的距离减小，当在黑光电极上施加电压时，第二致动板再次偏转一个角度，直至边缘的着陆簧片触及着陆盘为止。不同的驱动时刻在不同的电极板上施加约束电压可以避免振动造成误偏转。
驱动和应力仿真
初步设计的微镜结构偏转到指定位置时需要多高的驱动电压，在施加相应电压时，扭转轴以及微镜结构的受力情况如何，剪切应力是否处于材料的允许范围内。这些问题，可以借助MEMS的专用设计软件来分析和解决。
CoventorWare是目前世界上功能最强、规模最大的MEMS专用软件。拥有几十个专业模块，功能包含MEMS器件/系统的设计、工艺和仿真。利用该软件的扭转微镜模型可以容易地实现扭转微镜的快速分析和仿真。图2所示为利用CoventorWare2005软件对初始设计的微镜结构进行有限元网格分割的图形。仿真后得出，要达到所设计的偏转角，驱动电压需高达150V。对于便携应用而言，该电压显然是不合适的。为降低驱动电压，对微镜结构进行了优化改进设计。
与初始结构相比，优化后的电极为多层分布，详细的结构由图3所示。
采取多层致动板结构后，使得在很小的面积条件下取得了很高的填充率。同时，驱动电压也大大降低，扭转轴所受到的剪切应力也大为减小。图4为9V驱动时，微镜结构的应力图，从图上可以看到，扭转产生的应力已降低到了很低的程度。
图5所示为施加9V驱动电压时微镜的偏转位移模拟仿真结果。仿真表明，9V驱动时，偏转的位移值已超过所需的位移值，满足了便携应用的要求。现有LCD驱动芯片的驱动电压通常可以高达20V以上，用来驱动光栅微镜，已绰绰有余。采用传统的每一子像素仅一种基色的工作模式时，可以利用现有的LCD驱动和控制技术来实现闪耀光栅数字微镜的彩色显示。
闪耀光栅数字微镜的模拟仿真，得到了爱梅格计算机辅助工程有限公司(IMAG独资公司)覃裕平经理的热情帮助和耐心指导，在此表示衷心的感谢！
参考文献：
1. S.铁摩辛柯，J.盖尔(美)著，材料力学[M]，北京，科学出版社，1964
2. 徐泰然(Tai-Ran Hsu)(美)著，MEMS和微系统—设计与制造[M]，北京，机械工业出版社，2004
文章出处：中电网
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